Warianty adaptacyjne dla elektrowni wodnych

Wytwarzanie energii wodnej zależy z definicji od dostępności wody i w związku z tym jest uzależnione od wpływu zmian klimatu na baseny wodne, głównie za pomocą dwóch (odwrotnych) ścieżek. Zmiana klimatu może prowadzić do niedoboru wody, prowadząc do zmniejszenia przepływu rzek i mniejszego gromadzenia się wody do zapór, a co za tym idzie do mniejszej ilości wody, która może przenikać przez turbiny lub biegi rzek w celu wytworzenia energii elektrycznej. I odwrotnie, zmiana klimatu może zwiększyć częstotliwość i intensywność ekstremalnych opadów oraz przyspieszyć topnienie śniegu, prowadząc do zwiększonego ryzyka powodziowego. Niektóre lokalizacje w całej UE będą bardziej podatne na problemy związane z niedoborem wody, a inne na nagłą obfitość wody: oczekuje się, że susze będą poważnym zagrożeniem w większości regionów z wyjątkiem Europy Północnej, a obecnie powodzie raz do roku będą częstsze we wszystkich głównych dorzeczach europejskich (EOG, 2016). Jednak oba zjawiska mogą wystąpić w całej Europie, ze zmieniającymi się częstotliwościami w zmieniającym się klimacie.

Ta zmienność oczekiwanych zmian hydrometeorologicznych w całej Europie jest uzasadnieniem pierwszego omawianego tutaj wariantu adaptacyjnego. W perspektywie przystosowania się do zmiany klimatu kluczowe znaczenie ma dla mediów prowadzących elektrownie wodne, aby uzyskać szczegółowe zrozumienie przyszłych warunków, w których każda elektrownia będzie działać. Zmiana klimatu doprowadzi do sezonowej zmienności okręgu wodnego, z dłuższymi okresami suchymi, podczas których woda będzie rzadsza niż zwykle, wcześniejsze rozmrażanie śniegu na zboczach górskich w źródłach, a tym samym wcześniejsze występowanie dużych napływów wody topniejącej, a także przyspieszone topnienie lodowców, co spowoduje początkowy wzrost dostępności wody, a następnie pogorszenie dostępności wody. W przypadku braku infrastruktury sterującej przepływem w górę, wczesne i bardziej obfite przepływy wiosenne mogą być problematyczne dla zakładów działających w rzekach, powodując niedopasowanie między wytwarzaniem energii elektrycznej a popytem.

Wszystkie te zjawiska będą wymagały gruntownej rewizji w planowaniu eksploatacji elektrowni wodnych, konserwacji i ewentualnie odpornych na zmianę klimatu interwencji inżynieryjnych. Ponadto dokładne scenariusze będą miały kluczowe znaczenie dla znalezienia wspólnych rozwiązań dla konkurencyjnych zastosowań w okresach niedoboru wody, pomagając ocenić rzeczywiste potrzeby i prawdopodobny czas oczekiwania różnych użytkowników oprócz urządzeń elektrycznych: rolnicy, rybołówstwo, użytkowanie mieszkaniowe, transport wodny, rekreacja itp. W związku z tym pierwszym wariantem adaptacyjnym jest stworzenie scenariuszy klimatycznych i hydrometeorologicznych o wysokiej rozdzielczości dla każdego miejsca zapory i dorzecza, do którego należą, w taki sposób, aby można do nich łatwo uzyskać dostęp i zrozumieć zarządzanie przez przedsiębiorstwa elektryczne i wszystkich innych użytkowników w dorzeczu. W tym celu konkretne usługi klimatyczne mogą być zaprojektowane tak, aby zapewnić dokładne prognozy odpowiednich wskaźników w dostępnym formacie.

W niektórych przypadkach przewidywane warunki klimatyczne mogą sugerować, że przegląd planowanych działań może nie wystarczyć i że dostosowanie infrastruktury może być prawidłowe. Dzieje się tak w szczególności w przypadku, gdy spodziewane jest zwiększone występowanie ekstremalnych zdarzeń opadowych, co prowadzi do zwiększonego występowania powodzi w miejscach tamy. Negatywne skutki powodzi zapory obejmują przeciążenie, awarie, uszkodzenia sprzętu i niekorzystne skutki uboczne. Nagła obfitość wody spowodowanej powodziami musi być bezpiecznie odprowadzana, aby zminimalizować szkody dla zakładu, ekosystemów niższego szczebla oraz infrastruktury i działalności człowieka. Ekstremalne opady mogą również powodować skutki hydrometeorologiczne, takie jak osuwiska ziemi lub nadmierne zagłuszanie, co może zmniejszyć ilość wody dostępnej w zbiorniku i/lub zatkać system odprowadzania wody.

Istnieje wiele opcji inżynieryjnych, które można zastosować do zarządzania wyciekami zapory, które można w zasadzie pogrupować w rozlewy, systemy ogrodzeniowe i wtyczki bezpieczników.

Wycieki mogą mieć różne kształty konstrukcyjne mające na celu bezpieczne rozpraszanie energii z odprowadzanej wody przy jednoczesnym zapewnieniu pożądanej objętości wypływu. Mogą działać automatycznie, gdy woda w zaporze osiągnie określony poziom lub może być sprzężona z bramami, które odwracają przepływ wody do wycieku. Kształty projektowe obejmują rozlanie zsypów, stopniowane wycieki, wycieki dzwonków, wycieki syfonu, grzbiety ogee, kanały boczne, rozlewy labiryntu i jamy klawiszowe fortepianu (PKW). Cechy techniczne zapory oraz orografii i hydrologii otaczającego obszaru określają kompatybilność poszczególnych typów dróg rozlanych z tamą: oznacza to, że nie wszystkie systemy rozlania są kompatybilne ze wszystkimi zapórami.

Systemy ogrodzeniowe to seria bram zainstalowanych wzdłuż ściany zapory lub wokół wylewów dzwonu, które można otworzyć w celu zarządzania poziomem wody w zbiorniku, a w szczególności w celu uwolnienia nadmiaru wody w dół w przypadku powodzi. Ponownie, mogą być połączone z wyciekami, aby bezpiecznie rozpraszać energię kinetyczną odprowadzanej wody. Znajdują się one w wielu istniejących zapórach do zarządzania przepływem. Systemy ogrodzeniowe mogą zawieść w przypadku nasycenia z powodu nadmiernego zalania.

Wtyczki bezpiecznikowe są erodowalnymi odcinkami zapory uziemionej, które są przeznaczone do mycia w określonych warunkach powodziowych. Zasadniczo działają one jako bufory, które pochłaniają i spowalniają przelew i mogą być poświęcane, ponieważ koszt ich odbudowy to tylko niewielki ułamek kosztów, które musiałyby zostać poniesione, gdyby główna tama została uszkodzona. Mogą być instalowane wyłącznie w obecności odpowiednich cech geograficznych i geologicznych danego miejsca oraz zgodnych warunków w dole (np. siodło w rozsądnej odległości od głównej zapory wzdłuż obręczy zbiornika do odprowadzania nadmiaru wody; solidny fundament skalny dla wtyczki, aby wytrzymać erozję; kanał do bezpiecznego przekierowania przelewu z wtyczki do głównej rzeki w celu ochrony konstrukcji w dół).

Zazwyczaj instalacja systemów rozlanych i bramowych może odbywać się tylko w fazie budowy zapory, w związku z czym modernizacja na ogół nie jest opcją. Nie dotyczy to wtyczek bezpiecznikowych i systemów PKW. W studium przypadku Climate-ADAPT dotyczącym zarządzania ryzykiem powodziowym dla francuskich elektrowni wodnych omówiono zalety i wady PKW. PKWS mają pewne wyraźne zalety w porównaniu z tradycyjnymi przelaniami i systemami bramowymi, takimi jak wykonalność instalacji jako modernizacji istniejących zapór, a także fakt, że zapewniają one swobodny przepływ przepływu bez ograniczenia maksymalnej pojemności, dzięki czemu są w stanie poradzić sobie z wysokim poziomem przepływu i pracować w bezpieczniejszych warunkach niż systemy zamknięte, a także w całkowicie automatyczny sposób, który nie wymaga interwencji człowieka.

Ekstremalną opcją adaptacji infrastrukturalnej jest zwiększenie wydajności zakładu poprzez budowę większych zapór. Może to mieć sens w szczególnych okolicznościach, w których spodziewany jest znaczny wzrost spływu wody w najbliższej przyszłości i wystarczająco długi, aby umożliwić odzyskanie kosztów inwestycji. Może to mieć miejsce, gdy oczekuje się topnienia dużych lodowców, jak w studium przypadku z Islandii. Jednak możliwość zastosowania tego wariantu do UE jest prawdopodobnie bardzo ograniczona ze względu na bardzo różne warunki hydrometeorologiczne i lodowcowe.

Kategorie IPCC

Strukturalne i fizyczne: opcje inżynierii i środowiska zbudowanego, Strukturalne i fizyczne: opcje technologiczne

Udział zainteresowanych stron

W przypadku usług klimatycznych ważne jest zaangażowanie odpowiednich potencjalnych użytkowników we współprojektowanie usług. W związku z tym zależy od tego, w jaki sposób usługa ma być zamierzona: jeżeli jest to postrzegane jako narzędzie planowania dla ścisłych celów wytwarzania energii wodnej, zaangażowanie zainteresowanych stron może nie być głównym czynnikiem. Jeżeli jednak przyjmie się szerszą perspektywę, a usługa ma służyć wszystkim odpowiednim użytkownikom dorzecza, proces współprojektowania doprowadzi do interakcji między przedstawicielami wszystkich odpowiednich kategorii użytkowników. Oczywiście rzeczywista zmiana planowanych działań w świetle przewidywanych skutków zmiany klimatu będzie musiała być jak najbardziej inkluzywna, aby skutecznie zminimalizować przyszłe konflikty.

Budowa nowej infrastruktury, w szczególności rozbudowy zapory, wymaga zaangażowania wszystkich użytkowników dorzeczy oraz osiągnięcia porozumienia w sprawie praw do korzystania z wody i rekompensat.

Czynniki sukcesu i czynniki ograniczające

Korzyści płynące z zapewnienia jasnych i gotowych do użycia wskaźników planowania użytkowania wody są dość oczywiste, ponieważ skuteczne planowanie może opierać się wyłącznie na dokładnych i dobrze zrozumiałych informacjach. Głównym problemem jest tu wspólne dla wszystkich usług klimatycznych; ma to związek z trudnościami związanymi z z jednej strony identyfikacją najnowocześniejszych informacji naukowych rzeczywiście istotnych dla działalności użytkowników, a z drugiej strony pakowaniem takich informacji w taki sposób, aby format i język użyty do ich prezentacji były nietechniczne i dostępne dla użytkowników, którzy nie znają stosowanych dyscyplin naukowych. W tym celu kluczowy jest etap współprojektowania.

Adaptacja infrastrukturalna jest w większości przypadków ograniczona przez fakt, że większość systemów rozlanych i bramowych może być zbudowana tylko wraz z tamą, a zatem jest ważną opcją tylko dla przyszłych projektów związanych z elektrownią wodną. Głównym wyjątkiem jest system PKW, którego elastyczność i stosunkowo niskie koszty zostały omówione w powiązanym francuskim studium przypadku, wraz z jego (raportalnie niewielkimi) ograniczeniami.

Koszty i korzyści

Usługi klimatyczne dla elektrowni wodnych są na ogół dość tanie w porównaniu z inwestycjami infrastrukturalnymi. W niektórych przypadkach odpowiednie dane można uzyskać z projektów, które nie są bezpośrednio realizowane przez przedsiębiorstwa użyteczności publicznej prowadzące zakłady, na przykład z projektów badawczych na szczeblu UE, które mogą zapewnić (prawie) bezpłatny dostęp dla wszystkich odpowiednich użytkowników z UE. Firmy konsultingowe mogą oferować bardziej dostosowane pakiety w cenach rynkowych, ale można oczekiwać, że przedział cenowy takich umów wyniesie dziesiątki do stu tysięcy euro. Korzyści wynikające z usług klimatycznych sprowadzają się do minimalizacji narażenia na ryzyko w przyszłości i konfliktu z innymi użytkownikami wody oraz optymalizacji profilu wytwarzania energii ze względu na oczekiwane zmiany w profilach dostępności wody.

Modernizacja infrastruktury w celu kontrolowania nadmiernego przepływu wody może kosztować od kilkuset tysięcy euro (200,000 EUR dla PKW, jak podano we francuskim studium przypadku) do kilku milionów euro, w zależności od specyfiki zapory, pod względem lokalizacji, struktury i przepływu wody. Podstawowymi korzyściami są wyraźnie zmniejszenie spodziewanych szkód w infrastrukturze elektrowni wodnych oraz w infrastrukturze i ekosystemach niższego szczebla, a także większa zdolność do zarządzania poziomem wody w zbiorniku; w związku z tym modernizacja może prowadzić do płynniejszego działania zakładu, co może zwiększyć rentowność. Jeżeli instalacja takiej infrastruktury prowadzi do wyższych średnich ilości wody zmagazynowanej w zbiorniku, może to prowadzić do zwiększenia produkcji energii elektrycznej, jeśli pozwolą na to warunki rynkowe, ale także do zwiększenia roli zbiornika jako bufora, który może poprawić odporność całego dorzecza.

Aspekty Prawne

Jedynymi potencjalnie istotnymi aspektami prawnymi są aspekty związane z procesem wydawania zezwoleń na nową infrastrukturę, taką jak nowa infrastruktura zrzutowa zajmująca wcześniej dziewicze części dorzecza oraz oczywiście budowa większych zapór. Projekty te podlegają krajowym przepisom zezwalającym na budowę nowej infrastruktury.

Czas wdrożenia

Niektóre usługi klimatyczne mające również znaczenie dla planowania elektrowni wodnych i zarządzania nimi są już dostępne w ramach programu Copernicus. Umowy o doradztwo ad hoc zawierane przez pośredników mogą zapewnić odpowiednie wskaźniki klimatyczne w ciągu kilku miesięcy. W przypadku infrastruktury przeciwpowodziowej czas budowy zależy od specyfiki zapory i może się wahać od kilku miesięcy do kilku lat. Potrzeba kilku lat na budowę większych zapór.

Okres użytkowania

Żywotność usług klimatycznych zależy od ciągłej aktualizacji i utrzymania interfejsów użytkownika, baz danych i modeli. W przypadku modernizacji infrastrukturalnych nie ma wyraźnych wskazań, ale jeśli odpowiednio utrzymane, można założyć, że będą one trwać tak długo, jak pozostała żywotność zapory (zwykle kilka dekad). Wtyczki bezpiecznikowe mają być zmyte podczas poważnych powodzi, a ich okresowa rekonstrukcja powinna być brana pod uwagę przy planowaniu infrastruktury hydroenergetycznej, do której należą. Oczekiwania na żywotność nowych zapór wynoszą średnio 50 lat, ale mogą trwać nawet do wieku, choć po 50 latach rosną koszty konserwacji i zagrożenia stabilnością strukturalną.

Strony internetowe:

Bibliografia: